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CAN总线在矿渣粉螺旋秤控制系统的应用

我公司矿渣水泥生产工艺中的矿物质渣粉螺旋秤控制系统采用了CAN总线,控制效果良好。
1 矿渣粉掺加工艺流程及设备
1.1 工艺流程
矿渣粉添加系统主要由矿渣粉储存仓、叶轮给料机、稳流螺旋给料机、螺旋计量秤和斜槽风机组成。物料从上到下通过上述设备后,被输送到磨尾斗式提升机,与出磨水泥一起进入选粉机混合后,通过收尘进入成品水泥库。
1.2 辅助设备具体情况
1)矿渣粉储存仓:该仓容量为100t,由钢板卷制而成。仓外有上料管道,由气力输送入料。仓顶安装有四袋压力式除尘器,仓内安装电容料位计,在仓满时打铃报警。
2)叶轮给料机:设计流量范围0~10t/h,要求转速可调,叶轮给料机的电动机由变频调速器控制。
3)稳流螺旋给料机:规格长2000mm,直径300mm,主要作用分割轮下料均匀化,使物料进入螺旋计量秤时,减少计量波动。
4) 螺旋计量秤:规格同稳流螺旋给料机。电动机端固定,另一端用S型拉式传感器固定在钢架上。在安装过程中要注意保持设备的水平。
5) 斜槽风机:将粉料输送至斗式提升机。根据物料情况,倾斜度不要小于6%。
启动顺序是斜槽风机、螺旋计量秤、稳流螺旋给料机、叶轮给料机;停车顺序与此相反。设备间控制设有联锁。
2 控制系统的组成
螺旋秤生产厂家提供一套自主开发的智能仪表,用于螺旋秤的计量控制和标定。而对于其他设备的起停和联锁由我方负责。将这些设备控制信号引入到DCS,由DCS监视控制(如图1所示)。


智能仪表共2块,外壳均采用通用盘装仪表结构,卡入式安装。面板上有数据显示区和键盘区,数据显示区由八位高亮度数码管组成,显示当前过程值和参数值。键盘区由4个微动开关组成,分别是菜单键、向上、向下选择键和确认键。一块完成计量控制和标定功能(以下简称控制仪表),安装在电力室。另一块完成设定流量、查询累积量和报警等信息功能(以下简称上位仪表),安装在中控室。两地相距200m,它们之间的通讯采用CAN总线。
3 CAN总线概述
CAN是控制网络ControlAreaNetwork的简称,是开放式、 数字化、多点通信的控制系统局域网络。其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准。CAN总线协议描述设备之间的信息传递方式,它有以下特点:它是一种多主总线,各节点可随时向其它节点发送消息。传输介质为双绞线、同轴电缆等,通信速率可达到1Mb/s。由于CAN总线控制简单、扩展能力强、系统成本低,软硬件设计已非常成熟,被广泛的应用于工业控制。
4智能仪表的内部结构和控制过程
4.1 仪表结构
控制仪表的CPU采用AT89C52芯片,它是一种低功耗、高性能的8位单片机。主要完成数据采集、处理和通信功能。内部具有8KB的程序存储器(ROM),用于存储控制程序。256字节的RAM用于存储中间数据和结果。AD转换器采用16位芯片,直接与称重传感器连接。DA转换器采用电流输出型芯片。控制仪表扩展了一个数字量子模块,包含4路隔离DI电路,可用于开关信号输入,接受DCS系统的启停命令。有3路继电器输出,发出报警信号。另外内部还有键盘、显示电路和CAN总线电路接口电路。
上位仪表主要由单片机和键盘、显示电路和CAN总线电路接口电路组成。
4.2计量控制过程
控制仪表获得启动命令后,称重传感器测量出计量秤当前的负荷,通过A/D转换器,读入到单片机。因螺旋秤的旋转速度恒定,在单片机内计算出物料的瞬时流量。经过CAN总线从上位仪表处获取设定流量,调用PID算法程序,计算出设定值后,再通过D/A转换芯片产生4~20mA信号,控制变频器的频率,从而控制叶轮给料机电动机的转速。在完成控制的同时,处理瞬时流量,计算出累计量。并按要求计算出各班的产量。
4.3标定过程;
4.3.1.皮重标定过程
首先标定螺旋秤的皮重,一般要连续标定3次,每次的值应该相等,这样才能保证计量准确。这个过程就是调用标定子程序,将10s(此数可调)的皮重值读入单片机,平均后的皮重值存储于单片机作为最新标定值。
4.3.2.实物标定过程
按照固定设定转速下料一段时间,将控制仪表上获得的累计值与实际下料值相比较,修正称量系数。此过程调用实物标定子程序,将螺旋秤的毛重值读入单片机,去除皮重值后,计算出实物累计量。再称量出实际下料量,通过键盘输入到单片机中。单片机就会计算出称量系数。一般标定3次,就能标准确。
5 智能仪表间通信的设计
5.1 CAN节点的硬件设计
一个CAN节点由单片机、CAN控制器、CAN收发器等组成,
CAN控制器选用Philips 公司的SJA1000。其内部分别为控制器寄存器组、发送缓冲区和接收缓冲区,它们组成32个字节的寻址空间。为了连接到单片机,SJA1000提供一个复用的地址/数据总线和附加的读/写控制信号, SJA1000能被看作单片机AT89C52的外围存储器。为了保证系统的同步,使用了一个24 MHz的晶振作为SJA1000的振荡器,用它的7号引脚(CLKOUT)作为AT89C52的时钟脉冲。系统中SJA1000的片选由单片机的P2.7口控制。如图2所示


CAN总线收发器选用82c250,主要负责物理接口部分的处理,包括逻辑电平的控制和接口电气特性的处理,它是SJA1000与物理总线的接口。在CAN总线的网络终端,需加一个120Ω的匹配电阻Rt。可以防止在阻抗不连续的情况下出现反射现象,而使信号扭曲。
5.2 CAN总线通信软件的设计
本系统CAN节点通信功能主要是将本节点的数据信息传送给CAN通信网络的另一个节点,以及接收网络上另一个节点传来的信息。CAN总线单个节点的软件设计主要包括CAN节点初始化,信息的接收和信息的发送3个子模块。选用德国Keil公司推出的Keil C软件进行目标代码编译。
软件设计包括3个子模块:
1) 初始化子模块:首先AT89C52关闭SJA1000所有中断源,然后进行初始化设置,主要有:设置工作方式,配置时钟分频寄存器,设置验收码寄存器,设定波特率等等工作。在初始化内部寄存器时,注意各节点位速率一致,收发同步。初始化结束后,进入工作状态。
2) 接收子模块:负责节点信息的接受,报文的接收有两种方式,中断和查询接受方式,为提高实时性,采用中断方式接收。当CAN控制器接受到信息后向微控制器发出中断信号,微控制器执行中断程序将信息读入。
3)发送子模块:负责节点信息的发送,将要发送的信息组合成一帧,放入发送缓冲器中,然后启动SJA1000发送即可。
6 结束语
螺旋计量秤采用了以单片机为核心的智能仪表,其内部包括高精度的A/D、D/A转换器,使得控制系统稳定、计量准确。用CAN总线通信,提高了系统的反应速度和实时性。CAN节点的连接只要两根线,也节省了部分电缆。该系统调试后已运行数月,运转情况良好,达到设计要求。

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